Пo рельсам в ад: cверхзвуковой экспресс смерти

Скорость снаряда, вылетающего из ствола огнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекул сгорающего пороха — около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут о броуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетит быстрее. На практике результаты в 1,2−1,5 км/с для традиционных видов вооружений уже считаются выдающимися.

Испытания электромагнитной пушки в исследовательской лаборатории ВМС США в Далгрене, состоявшиеся 31 января этого года, прогремели на весь мир. Самый мощный в мире рельсотрон (он же рэйлган — этот английский термин знаком любому поклоннику компьютерных игр и фантастических фильмов) разогнал снаряд массой более 3 кг до скорости 2,52 км/с. Энергия выстрела составила 10,64 мегаджоуля, и это только треть от номинального энергетического потенциала орудия. 2,5 км/с — далеко не предел для электромагнитного оружия. В теории рельсотроны могут разгонять тела до десятков километров в секунду. Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.

Справка из учебника Направление линий магнитного поля определяется по правилу правого буравчика: если ток течет в направлении от наблюдателя, линии поля направлены по часовой стрелке. Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если расположить руку по направлению течения тока так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, большой палец укажет направление силы.

На волне интереса

Хотя сила Ампера, положенная в основу работы рельсотрона, известна физикам с середины XIX века, более ста лет никто даже не помышлял о подобной конструкции и тем более о ее применении для практических целей (по причине отсутствия достаточно мощных импульсных источников энергии). Только в 1952 году профессор Университета Тафтса, американец Уинстон Бостик, опубликовал статью, в которой описал формирование «плазмоидов» — плазменных колец, возникающих при разряде между двумя титановыми электродами, насыщенными водородом, и выталкиваемых из пластиковой трубки магнитным полем. Хотя схема этого устройства была очень далека от современного рельсотрона, можно сказать, что это было первой ласточкой (в 1956 году газета New York Times посвятила первую страницу «плазменной пушке» Бостика, хотя сам он называл это устройство «пуговицей»). В 1955 году по другую сторону Атлантики, в СССР, молодой ученый Алексей Морозов (будущий разработчик электроракетных плазменных двигателей — см. «ПМ» № 12'2005) отослал в Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В 1957 году она была опубликована и вызвала большой интерес в профессиональных кругах. В этой статье был описан ускоритель плазмы, состоящий из двух проводников (между которыми формировалась дуга), находящихся в постоянном магнитном поле. А через полгода в ЖЭТФ вышла статья Льва Арцимовича «Электродинамическое ускорение сгустков плазмы», в которой он предлагал использовать собственное магнитное поле проводников для разгона плазмы — схема, которую сейчас и принято называть рельсотроном. О разгоне значительных масс в виде твердых тел речь не заходила еще несколько десятков лет.

В погоне за магнитным полем Одна из альтернатив рельсотрона — индукционная пушка, которую чаще называют пушкой Гаусса в честь ученого Карла Фридриха Гаусса, исследовавшего физические принципы электромагнетизма. В основе ее конструкции лежит серия соленоидов, надетых поверх диэлектрического ствола. При подаче электрического импульса на соленоид металлический снаряд устремляется к его центру. В момент подлета к центру катушки питание переключается на следующий соленоид. В погоне за движущимся магнитным полем снаряд разгоняется до сопоставимых с рэйлганом скоростей. К неоспоримым преимуществам пушки относится самолевитация снаряда внутри ствола и, как следствия, отсутствие потерь на трение и минимальная абляция ствола. Но центровка снаряда в стволе и скоростная коммутация катушек при такой скорости и силе тока превращаются в реальные конструктивные проблемы. Гауссова пушка проигрывает рельсотрону и по энергетической эффективности.

В начале 1980-х в Австралии появился импульсный униполярный генератор, который позволил построить действующий образец мощного рельсоторона. С тех пор в США регулярно проходят международные симпозиумы, посвященные электромагнитным ускорителям. В 1980-х перспективы электромагнитного оружия казались бескрайними. В лабораториях разных стран один за другим строились опытные образцы, демонстрирующие все более впечатляющие результаты. Исследованиями в этой области интересовались ученые и специалисты космической отрасли, но больше всех, конечно, вдохновились военные. Неудивительно, что столь интенсивная экспериментальная деятельность достаточно быстро привела разработчиков электромагнитного оружия к технологическому барьеру. Все принципиальные результаты по соотношению скорости и массы снаряда были получены до середины 1990-х. Ожидания ученых и военных по дальнейшему росту показателей не оправдались, и исследователи практически прекратили эксперименты, перейдя к изучению и систематизации физики процесса, моделированию и отработке отдельных технических решений. Им удалось добиться определенного успеха.

Технологии

Патент недели: как сэкономить на топливе

Сверхпроводящий соленоид большого адронного коллайдера, построенного Европейской организацией по ядерным исследованиям, запечатлен непосредственно перед охлаждением до температуры 20 К (-253°C).

Любопытно, что в сравнении с результатами экспериментов до 1995 года показатели пушки из Далгрена не выглядят революционными. Скорее орудие можно назвать обобщением предыдущего опыта, выполненным на очень высоком техническом уровне. Чему же мы обязаны таким грандиозным шоу, облетевшим все мировые СМИ? Все очень просто: электромагнитными ускорителями вновь всерьез заинтересовались военные. В марте 2006 года Пентагон заключил 5,5-миллионный контракт с американским подразделением корпорации BAE Armament Systems на разработку и строительство прототипа артиллерийской системы с энергией выстрела 32 МДж. После успешных испытаний компания установит для себя следующую планку — 64 МДж. Ожидается, что скорость снаряда массой в несколько килограммов, выпущенного из этой артиллерийской установки, будет достигать 6 км/с.

Кинетическая смерть

Преимущества орудий с высокой дульной скоростью очевидны. Дальность поражения корабельной электромагнитной пушки, которую ВМС США планируют установить на эсминец нового поколения DD (X), обещает составить около 500 км. Возрастет и точность стрельбы: там, где для огнестрельной пушки приходилось рассчитывать серьезную баллистическую поправку, из рэйлгана можно будет стрелять практически прямой наводкой. Влияние случайных факторов, таких как порывы ветра, также снижается пропорционально росту скорости. Но главное преимущество высокоскоростного снаряда — высокая пробивная способность, обусловленная его колоссальной кинетической энергией. При скорости 3 км/с 1 кг снаряда несет в себе энергию, эквивалентную 1 кг тротила. Причем энергия возрастает пропорционально квадрату скорости.

Разумеется, дальность и точность стрельбы рельсотрона — далеко не предел для современных управляемых ракет. А сопоставимые с кинетическим ударом разрушения могут нанести снаряды с традиционными боеголовками. Тем не менее именно в простоте снаряда, который представляет собой всего-навсего вольфрамовую болванку массой несколько килограммов, кроется одно из главных преимуществ рельсотрона как оружия. В отличие от ракет и многих других современных боеприпасов, цельнометаллический снаряд предельно прост в изготовлении и компактен. А это значит, что, скажем, эсминец, оснащенный электромагнитным оружием, сможет нести колоссальный боезапас и получит неоспоримое преимущество перед противником по количеству выстрелов.

Цепная реакция Маркса Продвинутая версия конденсаторной батареи — генератор Маркса, названный в честь его изобретателя, инженера Эрвина Отто Маркса. В нем энное количество конденсаторов, соединенных параллельно, заряжаются до заданного напряжения, после чего все они включаются последовательно и напряжение возрастает в n раз. Переключение осуществляется с помощью разрядников. Как только срабатывает первый разрядник, напряжение на втором возрастает вдвое, поэтому и в нем возникает искра. Так по цепочке срабатывают все разрядники, выстраивая конденсаторы в последовательную цепь. Обычно суммарное напряжение оказывается несколько меньше обычного из-за задержек зажигания. Чтобы облегчить переключение, электроды разрядников покрывают радиоактивными изотопами цезий-137 или никель-63 и располагают так, чтобы УФ-излучение от срабатывающего разрядника падало на остальные. Генератор Маркса питает самый мощный в мире генератор рентгеновского излучения Z machine в национальной лаборатории Sandia, созданный для моделирования условий ядерного взрыва. К сожалению, схема Маркса не пригодна для питания рэйлгана: в ней приоритет отдается высокому напряжению, рельсотрону же необходим большой ток.

В настоящее время работа над боевыми рельсотронами ведется в нескольких направлениях. Наиболее реальное из них, в котором дальше всех продвинулись американцы, — это стационарные пушки и артиллерия морского базирования. Дульная скорость снаряда в рельсотроне прямо пропорциональна длине рельсов и подаваемому на них току, поэтому пока что боевой рельсотрон представляет собой орудие длиной до 10 м и энергетическую систему, которую можно разместить разве что на огромном корабле.

Англичане делают ставку на наземные мобильные системы. В частности, рельсотрон идеально вписывается в модную концепцию полностью электрического танка. Однако исследования упираются в отсутствие источников энергии, способных не только обеспечить движение машины на протяжении боя, но и передать на орудие импульс в десятки мегаджоулей в нужный момент. Стоит ли говорить, что ручные рэйлганы, столь популярные в компьютерных играх, на сегодняшний день абсолютно нереализуемы. Может, это и к лучшему: ведь с ростом скорости пули увеличится и отдача. Чтобы вооружить «рельсой» каждого пехотинца, пришлось бы изобретать специальное устройство для нейтрализации отдачи или уменьшать массу пули пропорционально росту скорости.

Один в поле не воин В экспериментальных рельсотронах института ГНЦ РФ ТРИНИТИ вместо одной пары рельсов применяется несколько. Равномерное распределение силы тока, тепловой нагрузки и трения между рельсами многовиткового рельсотрона значительно увеличивает ресурс и энергетическую эффективность всей конструкции. Под действием электромагнитного поля U-образный толкатель разжимается и плотнее прижимается к рельсам, обеспечивая надежный металлический контакт.

Ускользающий контакт

Принцип устройства рельсотрона предельно прост. На рельсы подается сильный электрический ток, между ними располагается подвижный проводящий снаряд. Текущий по проводнику ток создает вокруг него магнитное поле. Линии магнитного поля направлены против часовой стрелки вокруг плюсового рельса и по часовой стрелке вокруг минусового. В результате между рельсами создается общее однонаправленное вертикальное магнитное поле. На проводник, находящийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля. В результате снаряд, который исполняет роль проводника, начинает разгоняться вдоль рельсов.

Этот простой принцип довольно сложно реализовать на практике. Довести силу Лоренца до требуемой величины можно, только удлиняя рельсы или увеличивая ток. Длина рельсов, как правило, ограничена конструктивно, поэтому приходится иметь дело с сотнями тысяч ампер. Нагревание и трение приводят к чрезвычайно быстрому разрушению рельс. На современных экспериментальных установках рельс хватает в лучшем случае на несколько выстрелов, а зачастую их приходится менять после каждого запуска. По мере роста скорости снаряда и разрушения рельс нарушается контакт между ними, напряжение падает, а вместе с ним падает и сила Лоренца. В итоге скорость оказывается намного меньше расчетной величины.

Плавучая электростанция Многоцелевой эсминец нового поколения DD (X), работы над которым ведут компании Northrop Grumman Shipbuilding и Bath Iron Works, обещает стать идеальной энергетической платформой для рельсовых пушек. Концепция единой энергетической сети предполагает, что все электрические системы корабля питаются от генераторов, приводимых двумя газотурбинными двигателями Rolls-Royсe Marine Trent-30. Вся мощность системы (78 мегаватт) может перераспределяться между различными потребителями в любых пропорциях. К примеру, если кораблю не грозит опасность, всю мощность можно направить на увеличение скорости движения. Самые большие в мире электродвигатели с постоянным магнитом построены компанией Northrop Grumman. При необходимости всю энергию можно перенаправить на рэйлганы: неподвижный эсминец будет длительное время вести непрерывный огонь с частотой до 12 выстр./мин. Постройка одного корабля нового поколения обойдется в $3,2 млрд. Еще $4 млрд уйдет на обслуживание эсминца в течение его жизни.

Существует несколько подходов к улучшению контакта между рельсами и снарядом. В рельсотронах с плазменным поршнем снаряд закрепляется в диэлектрическом толкателе. При подаче напряжения между рельсами образуется электрическая дуга, на которую также действует сила Лоренца. Она и движет диэлектрический толкатель вперед. На Западе основные результаты получены на рельсотронах с плазменным поршнем. Но у них есть ряд недостатков, главный из которых — вероятность опережения толкателя дугой или возникновения вторичной дуги за снарядом. Кроме того, плазменный поршень с трудом справляется со снарядом большой массы. В нем теряется значительная доля энергии, и для разгона килограммового снаряда требуется ток в миллионы ампер.

Российские разработчики, в частности специалисты Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), предпочитают иметь дело с металлическим контактом, который достаточно надежен на скоростях до 2 км/с. На высоких скоростях он становится квазиметаллическим: между рельсами и толкателем возникают микродуги. В рельсотронах «ТРИНИТИ» применяется толкатель U-образной формы, который раздвигается под действием электромагнитного поля, с силой прижимаясь к рельсам. Благодаря этому в ходе экспериментов удается удерживать напряжение на толкателе в пределах 50 В — это хороший показатель по сравнению с плазменным поршнем, где напряжение доходит до 400 В. Кстати, сильные магнитные поля стремятся оттолкнуть друг от друга и сами рельсы. Способность конструкции рельсотрона удержать их в заданном положении — еще одна серьезная задача для разработчиков.

Рекордные по скорости полета снаряда рельсотроны работают в лабораториях по исследованию высокоскоростного удара. В таких установках снаряд имеет массу менее 1 г и преодолевает расстояние в считанные миллиметры до столкновения с объектом исследования. Но, двигаясь вдоль рельс, разгоняемая частица успевает развить скорость до 15 км/с. Рельсотрон позволяет смоделировать условия попадания микрометеоритов в обшивку космического аппарата.

Главное ноу-хау института ТРИНИТИ — это так называемые многовитковые рельсотроны, в которых вместо одной рельсовой пары используется одновременно несколько пар. Параллельные рельсы позволяют равномерно распределить между ними ток и трение, соответственно снизив приходящуюся на каждый из них нагрузку. В лаборатории института можно увидеть уникальный короткий пятивитковый рельсотрон длиной всего 0,5 м, который разгоняет 1,1-кг снаряд до 1 км/с. При этом рабочий ток установки составляет всего 350 кА.

Как прокормить рэйлган

Эрозия и абляция (испарение) рельсов, проблемы скользящего контакта и конструктивной прочности — это сущие мелочи по сравнению с отсутствием источников энергии, способных оперативно предоставить в распоряжение стрелка импульс в сотни тысяч ампер. Именно этой проблеме мы обязаны тем, что рэйлганы до сих пор не стоят на вооружении.

Сегодня самый распространенный импульсный источник энергии — батарея конденсаторов. Конденсаторы, применяемые в экспериментальных установках, представляют собой огромные цилиндры объемом в несколько кубометров. Они могут часами накапливать электрическую энергию (время заряда зависит от мощности ее источника), чтобы затем разом направить ее на рельсы.

Относительно компактный источник импульсного тока в полевых условиях — генератор постоянного тока, или униполярный генератор. В импульсном генераторе энергия накапливается в форме кинетической энергии вращающегося массивного проводящего ротора. Он постепенно разгоняется до очень большой скорости, потом включается внешнее магнитное поле (поле возбуждения генератора), и в цепи появляется импульс тока. Вращение ротора резко замедляется, а его кинетическая энергия переходит в кинетическую энергию снаряда. Для униполярного генератора характерно весьма скромное выходное напряжение, но очень большой выходной ток — то что надо для рельсотрона.

Электрический космодром По проекту ГНЦ РФ ТРИНИТИ гигантский рельсотрон будет выводить спутники на орбиту. Полетная сборка представляет собой собственно космический аппарат и пару разгонных ступеней, заключенных в аэродинамический обтекатель. Обтекатель устанавливается внутри первой разгонной секции на специальные опоры, за ним располагается металлический толкающий якорь. В момент запуска на разгонные секции длиной 10−20 м каждая подается ток. Секции включаются по очереди по мере продвижения полетной сборки. Каждую из них питает собственный накопитель СПИН, что позволяет отказаться от длинных высоковольтных токопроводов, в которых неизбежны энергетические потери. Общая длина разгонной системы достигает 3,7 км. После того как полетная сборка покидает рельсотрон на скорости 2 км/с, аэродинамический обтекатель раскрывается и отделяется от космического аппарата. Включается двигатель разгонной ступени, и аппарат выводится на орбиту.

Взрывомагнитный генератор, использующий энергию взрывчатых веществ для формирования мощного электрического импульса, может применяться для питания рельсотрона исключительно в экспериментальных целях, ибо ему присущи все эксплуатационные недостатки огнестрельного оружия, с которыми призваны бороться электромагнитные ускорители.

Наиболее перспективный источник энергии для рэйлгана называется СПИН — сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии. Энергия в нем запасается в виде магнитного поля, возникающего в процессе циркуляции постоянного тока в катушке из сверхпроводника. Основные компоненты СПИН — сверхпроводящая катушка, система индуктивной зарядки/разрядки и система охлаждения, поддерживающая в катушке критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Потери энергии при зарядке/разрядке СПИН не превышают 5% - это рекордный показатель. Но определенное количество энергии расходуется на работу мощной системы охлаждения. К примеру, критическая температура для обмоточных сверхпроводников на основе сплава NbTi или NbTri составляет около 10 К (-263˚С). Применение высокотемпературных сверхпроводников может снизить энергетические расходы на охлаждение — им требуется температура в районе -100˚С. Однако стоимость самого СПИН в этом случае радикально возрастет, ведь высокотемпературные проводники представляют собой сложные многоэлементные керамики, из которых весьма непросто изготовить многокилометровый провод для катушки. Особые требования предъявляются к прочности конструкции СПИН: на сверхпроводник также действует сила Лоренца, которая стремится буквально разорвать катушку на части.

Рельсы в космос

К сожалению, с давних времен российские военные не привыкли радовать граждан феерическими шоу вроде испытаний рельсотрона в Далгрене. Поэтому о степени готовности нашей страны достойно выступить в электрических войнах можно только догадываться. Зато мы довольно далеко продвинулись в вопросе применения рельсотрона в мирных целях. Федеральный центр двойных технологий «Союз», институт ТРИНИТИ, НИИФА имени Ефремова и Курчатовский институт объединили усилия для создания системы предварительного электродинамического разгона ракеты для вывода полезного груза на околоземную орбиту.

Как рассказал нам специалист ГНЦ РФ ТРИНИТИ Анатолий Константинович Кондратенко, проектный образец разгонной секции, предложенный институтом, представляет собой гигантский многовитковый рельсотрон с размерами канала 1,5х2 м. Ускорительный комплекс будет состоять из набора секций длиной по 10−20 м, к каждой из них будет подводиться коммутируемый импульс от накопителя СПИН. Общая длина комплекса составит до 3,7 км. Рельсотроны будут разгонять космический аппарат, заключенный в специальный обтекатель, до скорости 2 км/с. Это именно та скорость, до которой сохраняется надежный металлический контакт, необходимый для разгона тяжелой полетной сборки.

Основное препятствие на пути применения систем предварительного разгона — это колоссальные перегрузки (до 60 g), действующие на космический аппарат. Выдержать такие перегрузки не могут не только люди, но и ракетные двигатели. И все же игра стоит свеч: предварительный разгон полетной сборки до 2 км/с обещает вдвое снизить стоимость доставки 1 кг груза на орбиту.